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溶出温度对三水铝石与铝土矿溶出及赤泥沉降的影响

2023-11-23 35 上传者：管理员

摘要：以三水铝石与一水软铝石混合型铝土矿为研究对象，研究了溶出温度对其溶出及沉降性能的影响。溶出试验结果表明：三水铝石在145℃低温条件下较短时间就能全部溶出，且随着溶出时间的延长，氧化铝溶出率呈降低趋势；提高溶出温度到240℃以上，一水软铝石溶出，氧化铝溶出率显著升高，但同时也会造成碱耗增加；沉降试验结果表明：高温溶出矿浆的赤泥沉降性能显著优于低温溶出矿浆，达到相同的沉速，絮凝剂添加量减少约50%。

关键词：
一水软铝石
三水铝石
沉降
温度
溶出
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随着国内铝土矿储量减少、品位下降，铝土矿的进口量逐年递增[1],2019年开始中国铝土矿年进口量持续超过1亿吨，2022年达到1.25亿吨。进口铝土矿类型主要为三水铝石型、三水铝石与一水软铝石混合型[2]两种，其中进口量最大的几内亚矿和澳矿普遍为混合型铝土矿。对于三水铝石型铝土矿，采用低温拜耳法溶出就能保证较高的氧化铝溶出率，国内外很多专家对此进行了系统的研究[3,4],国外氧化铝企业普遍采用低温拜耳法进行氧化铝生产。对于三水铝石与一水软铝石混合型铝土矿(以下简称混合型铝土矿),采用低温拜耳法溶出则会造成一水软铝石损失，欧洲专利[5]采用一段低温、二段高温的二段溶出工艺，该工艺能显著提高氧化铝溶出率，但工艺流程复杂、设备投资成本高，较难实现工业应用。因此对混合型铝土矿的溶出及赤泥沉降性能进行深入研究，确定适宜的生产工艺对混合型铝土矿的经济高效利用具有重要意义[6,7]。

本文以国外进口混合型铝土矿为研究对象，通过研究不同溶出温度对该铝土矿溶出性能及赤泥沉降性能的影响，探讨混合型铝土矿的经济利用方案，以期为我国氧化铝生产提供科学指导。

1、试验

1.1 试验原料

混合型铝土矿为进口矿，化学成分(%):Al2O3 44.75、SiO2 2.04、Fe2O3 25.51、TiO2 2.39、K2O 0.023、Na2O 0.034、CaO 0.035、MgO 0.024、LOI 24.73,铝硅比A/S=21.94,有效氧化铝TAA=39.58%。物相组成为(%):三水铝石60.8、一水软铝石2.4、高岭石1.9、石英1.2、赤铁矿10.8、铝针铁矿18.9、锐钛矿1.0、金红石1.4。图1为试验用混合型铝土矿的XRD谱。

从物相组成和图1可以看出，该铝土矿为三水铝石与一水软铝石混合型铝土矿，三水铝石和一水软铝石的含量分别为60.8%和2.4%,一水软铝石中氧化铝含量约为2.04%;含硅矿物主要为高岭石和石英，其含量分别为1.9%和1.2%,高岭石中氧化铝含量约为0.75%;含铁矿物主要为铝针铁矿和赤铁矿，其含量分别为18.9%和10.8%,铝针铁矿中氧化铝含量约为2.21%。

图1 试验用铝土矿的XRD谱

该混合型铝土矿若采用低温145 ℃拜耳法溶出工艺，仅能回收三水铝石中的氧化铝，理论氧化铝溶出率约为88.45%,一水软铝石和铝针铁矿则不反应直接进入赤泥，造成氧化铝损失。若提高溶出温度，一水软铝石将全部溶出，理论氧化铝溶出率将提高4.5个百分点，达到92%以上。

试验用溶出母液为工业铝酸钠溶液，其全碱(Na2OT)、苛碱(Na2OK)、氧化铝(Al2O3)浓度分别为223.39、191、112.51 g/L,分子比为2.79。

1.2 试验方法

1.2.1 铝土矿溶出试验

溶出试验采用Y型熔盐/甘油溶出器，内置6个钢弹，控温精度为±1 ℃,钢弹转速为30 r/min。根据拜耳法溶出配料分子比计算出配矿量，并称取粒度合格的铝土矿至钢弹中，同时加入一定量的铝酸钠溶液，钢弹密封后放入已预热到试验温度的加热炉中，并开启搅拌。溶出至预定时间后取出钢弹快速冷却，溶出矿浆过滤分离，所得赤泥用热水洗涤后置于干燥箱中烘干，烘干后采用荧光光谱分析仪进行赤泥化学成分分析，滤液进行苛碱、氧化铝和二氧化硅浓度分析。

氧化铝实际溶出率计算公式：

ηA=(A/F)矿−(A/F)泥(A/F)矿×100%

式中，(A/F)矿为矿石中Al2O3与Fe2O3的质量比；(A/F)泥为赤泥中Al2O3与Fe2O3的质量比。

1.2.2 溶出矿浆赤泥沉降试验

溶出赤泥的沉降性能试验采用250 mL沉降管，在恒温水浴槽中进行，试验温度98 ℃。首先将一定固含的溶出矿浆(转移至)倒入沉降管中，将沉降管在水浴槽中保温一定时间后，加入絮凝剂，记录沉降时间并在沉降一定时间后取一定量的上清液，过滤洗涤烘干后计算上清液的浮游物含量。沉降结束后测定计算赤泥的压缩液固比。

2、结果与讨论

2.1 溶出温度和溶出时间对氧化铝溶出率的影响

在溶出温度分别为145、220、240、260、270 ℃,母液苛碱浓度191 g/L、溶出液αK=1.34的条件下，研究不同溶出温度和溶出时间对氧化铝溶出率的影响。试验结果如图2所示。从图2可以看出，溶出温度及溶出时间对氧化铝溶出率都有显著影响。相同溶出温度条件下，氧化铝溶出率随着溶出时间的延长呈降低趋势；相同溶出时间条件下，氧化铝溶出率差距显著。

图2 溶出温度及溶出时间对氧化铝溶出率的影响

溶出温度为145 ℃时，溶出时间10 min, 氧化铝溶出率约为88.4%,与理论氧化铝溶出率基本一致，说明三水铝石在145 ℃溶出温度条件下，较短时间就能完全溶出；延长溶出时间到90 min, 氧化铝溶出率从88.3%降低到约87%,分析原因是延长溶出时间，溶出液中二氧化硅发生脱硅反应生成钠硅渣，造成铝损失[8]8]。

提高溶出温度至220 ℃时，随着溶出时间从10 min延长到60 min, 氧化铝溶出率从87.6%逐渐降低到86%,与145 ℃时的溶出结果相比，氧化铝溶出率略有降低，说明一水软铝石在220 ℃条件下仍然较难溶出，同时升高温度又加速钠硅渣的生成，造成氧化铝损失[8,9]8-9]。

继续提高溶出温度至240～270 ℃,氧化铝溶出率显著升高。在溶出时间5 min条件下，溶出温度240 ℃时，氧化铝溶出率约为90.5%,升高溶出温度到270 ℃,氧化铝溶出率达到92.5 %,与低温145 ℃的溶出结果相比，氧化铝溶出率提高了约4个百分点，与理论计算基本一致。其说明溶出温度大于240 ℃时，铝土矿中的一水软铝石溶出，提高了氧化铝溶出率，且溶出温度越高，一水软铝石的反应速度越快，溶出温度270 ℃时，溶出时间5 min一水软铝石已基本全部溶出。

2.2 溶出温度和溶出时间对赤泥N/S的影响

在溶出温度分别为145、220、240、260、270 ℃,母液苛碱浓度191 g/L、溶出液αK=1.34的条件下，研究了不同溶出温度和溶出时间对溶出赤泥N/S的影响。试验结果如图3所示。从图3可以看出，随着溶出温度的升高和溶出时间的延长，溶出赤泥N/S均呈升高趋势。溶出温度为145 ℃时，随着溶出时间从10 min延长到90 min, 赤泥N/S从0.09升高至0.18;溶出温度提高至220 ℃时，随着溶出时间从10 min延长到60 min, 赤泥N/S从0.35升高到0.55,与溶出温度为145 ℃时相比，赤泥N/S显著升高；继续升高溶出温度至270 ℃,随着溶出时间从5 min延长到40 min, 赤泥N/S从0.45升高到0.65。整体来说，相同溶出温度条件下，随着溶出时间的延长或相同溶出时间，随着溶出温度的升高，赤泥N/S均呈升高趋势，说明升高溶出温度、延长溶出时间都能促进脱硅反应，生成钠硅渣进入赤泥，造成氧化铝和氧化钠的损失。

图3 溶出温度和溶出时间对溶出赤泥N/S的影响

总的来说，针对该混合型铝土矿，提高溶出温度能显著提高氧化铝溶出率、降低矿耗，但同时也会造成赤泥N/S升高、碱耗增加。

2.3 溶出赤泥物相分析

分别选取溶出温度145 ℃、溶出时间60 min,以及溶出温度270 ℃、溶出时间30 min的溶出赤泥进行XRD物相分析，结果如图4所示。从图4可以看出，溶出温度为145 ℃、溶出时间60 min时，溶出赤泥的物相组成主要包括铝针铁矿、赤铁矿、石英、锐钛矿、金红石和一水软铝石；溶出温度提高到270 ℃时，一水软铝石和石英的峰消失，出现钙霞石的峰，说明在高温条件下一水软铝石溶出，石英反应生成钙霞石。根据矿石中一水软铝石的含量2.4%进行理论计算，一水软铝石全部溶出，预计氧化铝溶出率增加4.5个百分点；根据矿石中1.2%的石英进行理论计算，石英完全反应生成钙霞石，造成氧化铝溶出率损失1个百分点；整体来说，理论上高温270 ℃溶出比低温145 ℃溶出时氧化铝溶出率高出3.5个百分点，与试验结果一致。

图4 溶出赤泥的XRD谱

2.4 理论物料消耗成本核算

根据以上试验结果，不考虑生产运行成本，仅对理论矿耗和化学碱耗进行物料消耗成本核算，结果如图5所示。假设铝土矿价格为600元/t,氢氧化钠价格为3 000元/t。

从图5可以看出，溶出温度145 ℃,溶出时间10 min时，理论物料消耗成本最低约为1 530元(以每吨Al2O3计，下同),随着溶出时间的延长，成本呈升高趋势，溶出60 min时约为1 560元。溶出温度为220 ℃时，理论物料消耗成本最高，约为1 600～1 675元。溶出温度为240～270 ℃时，溶出时间5 min时理论物料消耗成本最低，约为1 540元，延长溶出时间，理论生产成本显著升高。针对该混合型铝土矿，采用低温溶出工艺和高温短时间溶出工艺的理论生产成本相差不大，但随着矿石和氢氧化钠价格的波动，其生产成本也会波动，具体选择何种溶出工艺还需进行详细经济评价及投资成本核算后确定。

图5 理论物料消耗成本核算结果

2.5 溶出温度对赤泥沉降性能的影响

赤泥的沉降分离工序是氧化铝生产过程的一个重要环节，赤泥沉降性能的好坏直接影响氧化铝生产是否能够顺利进行，因此要确定该铝土矿的生产工艺，必须对赤泥沉降性能进行评价。

为了对比该矿石高低温溶出矿浆的沉降性能，分别将铝土矿在145 ℃和260 ℃进行了溶出，溶出矿浆苛碱浓度在沉降管中稀释至约155 g/L,在98 ℃水浴锅中保温30 min后，添加分离絮凝剂进行赤泥沉降性能测定，三种絮凝剂型号分别为CY-6300、911-3和ZLKY-1,试验结果如表1和表2所示。

表1 低温145 ℃溶出矿浆沉降试验结果

表2 高温260 ℃溶出矿浆沉降试验结果

从表1和表2可以看出，在矿浆稀释苛碱浓度155 g/L左右、固含70～80 g/L条件下，溶出温度为145 ℃,赤泥沉降速度达到约10 m/h时，CY-6300、911-3和ZLKY-1三种絮凝剂的每吨干赤泥絮凝剂添加量分别为165.93、103.36、149.48 g;溶出温度为260 ℃时，达到相同的沉降速度，三种絮凝剂的添加量分别为101.21、51.02、62.63 g。整体来说，与低温溶出矿浆相比，达到相同的沉降速度，高温溶出矿浆的絮凝剂添加量降低了约50%。

同时从表中还可以看出，低温溶出赤泥的压缩液固比约为3～5,高温溶出赤泥的压缩液固比约为2～3,高温溶出赤泥的压缩性能显著优于低温溶出赤泥。综上所述，高温溶出矿浆的沉降性能要显著优于低温溶出矿浆，其原因可能是赤泥的物相经高温处理后，结晶状态更加完善，形貌更加规则，因而易于沉降[10]10]。

3、结论

1)三水铝石与一水软铝石混合型进口铝土矿中的三水铝石在145 ℃低温条件下较短时间就能溶出，且随着溶出时间的延长，氧化铝溶出率呈降低趋势。溶出温度低于240 ℃时，进口矿中的一水软铝石较难溶出。

2)提高溶出温度能显著提高混合型铝土矿氧化铝溶出率、降低矿耗，但同时也会造成赤泥N/S升高、碱耗增加。

3)高温溶出矿浆的沉降性能显著优于低温溶出矿浆，达到相同的沉降速度时，絮凝剂添加量减少约50%。

5)针对一水软铝石含量2.4%的进口矿，假设铝土矿价格为600元/t,氢氧化钠价格为3 000元/t,对理论矿耗和化学碱耗进行物料消耗成本测算，采用低温溶出工艺和高温短时间溶出工艺的理论消耗成本相差不大，但随着矿石和氢氧化钠价格的波动，其生产成本也会波动，具体选择何种溶出工艺还需进行详细经济评价及投资成本核算后确定。

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基金资助:中国铝业股份有限公司科技项目(中铝股份科发字[2022]111号);

文章来源:郑洁,齐利娟,关晓鸽等.溶出温度对三水铝石与一水软铝石混合型铝土矿溶出及赤泥沉降性能的影响[J].有色金属(冶炼部分),2023(12):38-42+95.